WO2002087014A1 - Umschaltbare integrierte mobilfunkantenne - Google Patents

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Markus Larkamp
Peter Nevermann
Pan Sheng-Gen
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01Q9/0442—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular tuning means

Definitions

  • the present invention relates to a switchable mobile radio antenna that can operate several frequency bands.
  • Mobile radio antennas are used in particular in mobile radio devices as transmit and receive antennas.
  • the antennas are usually fully integrated in the device, with only a relatively limited space available for attaching the antenna.
  • mobile devices should increasingly be able to be operated not only in one frequency range, but also in several frequency bands (e.g. one transmit and receive band) or in several networks (GSM, PCN and PCS).
  • Antennas that can be used in two or more frequency ranges and that use as little volume as possible are therefore required.
  • the performance should be as high as possible and the manufacturing costs as low as possible.
  • a switchable mobile radio antenna is known from European patent application EP0865169.
  • the switching device described therein is only designed for rod antennas that are not particularly suitable as integrated antennas.
  • the solution described is also limited to the expansion of a monoband antenna to a dual-band antenna.
  • the essential inventive idea is to equip an integrable planar antenna with a switching device which is arranged outside the main circuit of the antenna. As a result, only a small amount of HF current flows through the switching device and can therefore cause only slight losses.
  • An integrable mobile radio antenna which has a first surface, in particular at ground potential, and a second surface which is arranged essentially in parallel and is connected to the radio circuit of the mobile radio device, a switching device being provided for switching between different frequency bands, which is between different ground contacts the second surface can switch or select.
  • the switching device is arranged in a ground pf d.
  • the second surface preferably has a plurality of connecting lines which can be selected by the switching device and which can be electrically connected to a reference potential, in particular ground.
  • the line paths that can be selected by the switching device have a different length and a different position of the connection to the second surface.
  • the switching device can either be a changeover switch or a simple on-off switch, which optionally switches a specific line path on or off.
  • the switching device is preferably implemented as an electronic, in particular integrated switch, but can also be designed as a mechanical HF switch.
  • the selectable contact connections are arranged or designed such that it is possible to switch between a transmission and a reception band of a network (e.g. GSM 900).
  • a network e.g. GSM 900.
  • the contact connections can also be arranged or designed so that the antenna can be switched between two frequency bands of different networks (e.g. PCN and PCS).
  • a known dual-band antenna can thus be expanded to three bands.
  • a fork-shaped connecting line is provided on the second surface, so that the supply of the second surface takes place at connection points which act essentially separately.
  • the switching device according to the invention is preferably arranged outside the antenna volume delimited by the two surfaces.
  • the mobile radio antenna is preferably a PIF antenna, and in particular a dual-band antenna, which can operate several, preferably up to four, frequency bands.
  • Fig.l An example of a monoband PIF antenna that has been expanded to a dual band antenna
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a dual-band antenna which can be operated in more than two frequency ranges by means of a switching device
  • Fig. 3 shows a classic monoband PIF antenna.
  • the monoband PIF antenna shown in FIG. 1 essentially consists of a first surface F1 and a second surface F2, which are arranged parallel to one another.
  • the surfaces F1 and F2 each have a connecting line 10, 13 which leads to external connecting contacts K1 and K2.
  • the contact Kl is preferably at ground potential, while the contact K2 is connected to the radio circuit of the mobile radio device.
  • the area F2 also has two additional connecting lines 11 and 12 which contact the area F2 at different points PIA and PIB.
  • the line paths between the points PIA and P4 or PIB and P4 have different lengths.
  • state A and state B of the switch S both the distance between the point P2 and PIA and between the point P2 and PIB and the length of the line between PIA and P4 or PIB and P4 are changed.
  • the HF current flows back via contact K2, the capacitor formed by the two surfaces F1 and F2 and then via point P4 to contact Kl.
  • the changeover switch S is therefore outside the main circuit, only a small amount of current flows through it and can therefore cause only slight losses.
  • FIG. 2 shows a basic structure of a switchable dual-band PIF antenna which can be operated in four frequency ranges.
  • the integrated antenna shown likewise comprises two antenna areas F1 and F2, in contrast to the antenna shown in FIG. 1, the second area F2 has different area areas, namely an area F2H for a higher frequency band and an area F2L for a lower frequency band.
  • the area F2H is essentially rectangular, while the area F2L is essentially L-shaped.
  • the area F2 has a connecting line 10, which leads to an RF contact K2.
  • the area Fl has a connecting line 13 which leads to a ground contact Kl.
  • two additional connecting lines 11, 12 are provided, each of which can be selected by a switch S.
  • switch S When switching position A is selected, a line path between a contact point PIA and P4 or the contact K1 is closed.
  • switch position B For the line path between the point PIB and the point P4 or the contact Kl.
  • the area F2 is contacted via a forked connecting line 16 at two points P2L and P2H which act separately.
  • the resonance frequency f H for the band H is determined by the line lengths between the points P2H and PIA or B as well as Pl and P4.
  • the line lengths between the points P2L and PIA or B and PIA or B and P4 define the resonance frequency f L for the band L.
  • FIG 3 shows a known monoband PIF antenna with two planar areas F1 and F2.
  • an “F” structure is formed from the area F1 and two connecting lines 10, 13 which make contact at points P1 and P2. These connecting lines 10, 13 lead to the contacts K 1 and K 2.
  • the contact K 1 is connected to ground ,
  • the node K2 represents the connection to the HF circuit of the mobile radio device.
  • the resonance frequency f of the antenna can be both reduced and increased.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine zwischen mehreren Frequenzbereichen umschaltbare Mobilfunkantenne, umfassend eine erste, insbesondere auf Massepotential liegende, Flache und eine mit dem HF-Teil des Mobilfunkgerats verbundene zweite Flache (F2) , die jeweils eine Anschlugleitung (10,13) aufweisen, die zu externen Kontakten (K1, K2) fuhrt. Urn die Verlustleistung der Antenne moglichst gering zu halten, ist eine Schalteinrichtung (S) zum Umschalten zischen verschiedenen Frequenzbändern vorgesehen, die in einem Leiungspfad (11,12) von der zweiten Flache (F2) zur ersten Flache (F1) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Umschaltbare integrierte Mobilfunkantenne
Die vorliegende Erfindung betrifft eine umschaltbare Mobilfunkantenne, die mehrere Frequenzbänder bedienen kann.
Mobilfunkantennen werden insbesondere in Mobilfunkgeräten als Sende- und Empfangsantennen eingesetzt. Die Antennen sind üb- licherweise vollständig im Gerät integriert, wobei für die Anbringung der Antenne nur ein relativ beschränkter Raum zur Verfügung steht.
Darüber hinaus sollen Mobilfunkgeräte zunehmend nicht nur in einem Frequenzbereich, sondern auch in mehreren Frequenzbändern (z.B. einem Sende- und Empfangsband) oder in mehreren Netzen (GSM, PCN und PCS) betrieben werden können. Es werden daher Antennen benötigt, die in zwei oder mehreren Frequenzbereichen nutzbar sind und möglichst wenig Volumen beanspru- chen. Außerdem sollten die Leistungsfähigkeit möglichst hoch und die Herstellungskosten möglichst gering sein.
Aus der Europäischen Patentanmeldung EP0865169 ist eine schaltbare Mobilfunkantenne bekannt. Die darin beschriebene Schalteinrichtung ist jedoch nur für Stabantennen ausgelegt, die im besonderen Maße nicht als integrierte Antennen geeignet sind. Die beschriebene Lösung ist außerdem auf die Erweiterung einer Monobandantenne auf eine Dualbandantenne beschränkt .
In der US6,021,317 ist das Umschalten kompletter Antennen beschrieben. Bei dieser Lösung wird der komplette Stromfluß zwischen ganzen Antennen oder Antennenbereichen umgeschaltet, wobei prinzipbedingt durch die Einfügedämpfung des Schalters relativ hohe Verluste auftreten. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine schaltbare integrierbare Mobilfunkantenne zu schaffen, die zwischen unterschiedlichen Frequenzbändern umschaltbar ist und dabei einen möglichst geringen Gleichspannungs- Leistungsverbrauch aufweist und nur geringe HF-Verluste verursacht .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Ausführungsfor- men der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Der wesentliche erfinderische Gedanke besteht darin, eine integrierbare Planarantenne mit einer Schalteinrichtung auszustatten, die außerhalb des Hauptstromkreises der Antenne an- geordnet ist. Die Schalteinrichtung wird dadurch nur von wenig HF-Strom durchflössen und kann daher auch nur geringe Verluste verursachen.
Es wird eine integrierbare Mobilfunkantenne vorgeschlagen, die eine erste, insbesondere auf Massepotential liegende Fläche und eine zweite, im wesentlichen parallel angeordnete Fläche, die mit der Funkschaltung des Mobilfunkgeräts verbunden ist, wobei eine Schalteinrichtung zum Umschalten zwischen verschiedenen Frequenzbändern vorgesehen ist, die zwischen verschiedenen Massekontaktierungen der zweiten Fläche umschalten bzw. auswählen kann. Dabei ist die Schalteinrichtung in einem Massepf d angeordnet .
Die zweite Fläche weist vorzugsweise mehrere Anschlußleitun- gen auf, die von der Schalteinrichtung ausgewählt und mit der einem Bezugspotential, insbesondere Masse, elektrisch verbunden werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung haben die von der Schalteinrichtung auswählbaren Leitungspfade eine un- terschiedliche Länge und eine unterschiedliche Position der Anbindung an die zweite Fläche. Die Schalteinrichtung kann entweder ein Umschalter oder ein einfacher Ein-Aus-Schalter sein, der einen bestimmten Leitungspfad wahlweise zu- oder abschaltet.
Die Schalteinrichtung ist vorzugsweise als elektronischer, insbesondere integrierter Schalter realisiert, kann aber auch als mechanischer HF-Schalter ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die auswählbaren Kontaktanschlüsse derart angeordnet bzw. gestaltet, daß zwischen einem Sende- und einem Empfangsband eines Netzes (z.B. GSM 900) umgeschaltet werden kann.
Wahlweise können die Kontaktanschlüsse auch derart angeordnet bzw. gestaltet sein, daß die Antenne zwischen zwei Frequenzbändern unterschiedlicher Netze (z.B. PCN und PCS) umschaltbar ist. Eine bekannte Dualband-Antenne kann damit auf drei Bänder erweitert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine gabelförmige Anschlußleitung an der zweiten Fläche vorgesehen, so dass die Speisung der zweiten Fläche an im wesentlichen getrennt wirkenden Anschlusspunkten erfolgt.
Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung ist vorzugsweise außerhalb des durch die beiden Flächen begrenzten Antennenvolumens angeordnet .
Bei der Mobilfunkantenne handelt es sich vorzugsweise um eine PIF-Antenne, und insbesondere um eine Dualbandantenne, die mehrere, vorzugsweise bis zu vier, Frequenzbänder bedienen kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeich- nungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: Fig.l Ein Beispiel einer Monoband PIF-Antenne, die auf eine Dualbandantenne erweitert wurde;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Dualbandantenne, die mittels einer Schalteinrichtung in mehr als zwei Frequenzbereichen betrieben werden kann; und
Fig. 3 eine klassische Monoband PIF-Antenne.
Die in Fig.l gezeigte Monoband PIF-Antenne besteht im wesentlichen aus einer ersten Fläche Fl und einer zweiten Fläche F2 , die parallel zueinander angeordnet sind. Die Flächen Fl bzw. F2 haben jeweils eine Anschlußleitung 10,13, die zu externen Anschlußkontakten Kl bzw. K2 führt.
Der Kontakt Kl liegt vorzugsweise auf Massepotential, während der Kontakt K2 mit der Funkschaltung des Mobilfunkgeräts verbunden ist.
Die Fläche F2 weist ferner zwei zusätzliche Anschlußleitungen 11 und 12 auf, die die Fläche F2 an unterschiedlichen Punkten PIA und PIB kontaktieren.
Am äußeren Ende dieser zusätzlichen Anschlußleitungen 11,12 ist ein Schalter S angeordnet, der zwischen den beiden
Anschlußleitungen umschalten kann und dadurch eine zusätzliche Verbindung zwischen der zweiten Fläche F2 und dem Massepotential (K2) herstellt.
Die Leitungspfade zwischen den Punkten PIA und P4 bzw. PIB und P4 haben unterschiedliche Länge. Bei einer Umschaltung zwischen Zustand A und Zustand B des Schalters S werden sowohl der Abstand zwischen dem Punkt P2 und PIA und zwischen dem Punkt P2 und PIB als auch die Länge der Leitung zwischen PIA und P4 bzw. PIB und P4 geändert. Dadurch ändern sich die Systemgrößen L und C des Schwingkreises und somit die Resonanzfrequenz der Antenne. Bei dieser Antenne ist zu bemerken, dass der HF-Strom über den Kontakt K2 , den durch die beiden Flächen Fl und F2 gebildeten Kondensator und dann über den Punkt P4 zum Kontakt Kl zurückfließt. Damit liegt der Umschalter S außerhalb des Hauptstromkreises, wird nur von wenig Strom durchflössen, und kann daher auch nur geringe Verluste verursachen.
Fig. 2 zeigt eine Grundstruktur einer schaltbaren Dualband PIF-Antenne, die in vier Frequenzbereichen betrieben werden kann .
Die gezeigte integrierte Antenne umfaßt ebenfalls zwei Antennenflächen Fl und F2 , wobei im Unterschied zu der in Fig.l dargestellten Antenne die zweite Fläche F2 unterschiedliche Flächenbereiche, nämlich einen Bereich F2H für ein höheres Frequenzband und einen Bereich F2L für ein niedrigeres Frequenzband, aufweist.
Der Bereich F2H ist im wesentlich rechteckig gebildet, wäh- rend der Bereich F2L im wesentlichen L-förmig ist.
Die Fläche F2 hat eine Anschlußleitung 10, die zu einem HF- Kontakt K2 führt. Die Fläche Fl hat eine Anschlußleitung 13, die zu einem Massekontakt Kl führt.
Ferner sind zwei zusätzliche Anschlußleitungen 11,12 vorgesehen, die jeweils von einem Schalter S ausgewählt werden können. Bei einer Auswahl der Schaltstellung A wird ein Leitungspfad zwischen einem Kontaktpunkt PIA und P4 bzw. dem Kontakt Kl geschlossen. Gleiches gilt in der Schaltstellung B für den Leitungspfad zwischen dem Punkt PIB und dem Punkt P4 bzw. dem Kontakt Kl.
Die Fläche F2 wird über eine gegabelte Anschlußleitung 16 an zwei getrennt wirkenden Punkten P2L und P2H kontaktiert. Bei dieser Antenne wird die Resonanzfrequenz fH für das Band H durch die Leitungslängen zwischen den Punkten P2H und PIA oder B sowie Pl und P4 festgelegt. Entsprechend legen die Leitungslängen zwischen den Punkten P2L und PIA bzw. B sowie PIA oder B und P4 , die Resonanzfrequenz fL für das Band L fest.
Fig.3 zeigt eine bekannte Monoband PIF-Antenne mit zwei flächenhaften Bereichen Fl bzw. F2. Dabei wird eine „F"-Struktur aus der Fläche Fl und zwei Anschlußleitungen 10,13 gebildet, die an den Punkten Pl bzw. P2 kontaktieren. Diese Anschlußleitungen 10,13 führen zu den Kontakten Kl und K2. Der Kontakt Kl ist mit Masse verbunden, der Knoten K2 stellt die Verbindung zur HF-Schaltung des Mobilfunkgeräts dar.
Durch Änderung des Abstandes zwischen den Punkten Pl und P2 als auch durch eine Änderung der Länge der Leitung 17 zwischen den Punkten Pl und P4 kann die Resonanzfrequenz f der Antenne sowohl verkleinert als auch vergrößert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Mobilfunkantenne, umfassend eine erste, insbesondere auf Massepotential liegende, Fläche (Fl) mit einem Kontak- tanschluß (13) und eine zweite, mit einer HF-Schaltung verbundene Fläche (F2), g e k e n n z e i c h e t d u r c h, eine Schalteinrichtung (S) zum Umschalten zwischen verschiedenen Frequenzbändern, die verschiedene Anschlussleitungen (11,12) der zweiten Fläche (F2) auswählen kann.
2. Mobil funkantenne nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , daß die Anschlußleitungen (11,12) der zweiten Fläche (11,12) mit einem Massekontakt (Kl) elektrisch verbunden werden können.
3. Mobil funkantenne nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , dass die Anschlussleitungen (11,12) an unterschiedlichen
Punkten (PIA, PIB) an der zweiten Fläche angeschlossen sind.
4. Mobilfunkantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , dass die von der Schalteinrichtung (S) auswählbaren Leitungspfade eine unterschiedliche Länge aufweisen.
5. Mobilfunkantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , dass die Schalteinrichtung (S) ein Umschalter ist, der zwischen verschiedenen Leitungspfaden umschaltet.
6. Mobil funkantenne nach Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , dass die Schalteinrichtung (S) ein Ein-Aus-Schalter ist, der einen Leitungspfad wahlweise zu- oder abschaltet.
7. Mobilfunkantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , dass die Schalteinrichtung (S) ein mechanischer HF-Schalter oder ein elektronischer IC-Schalter ist.
8. Mobilfunkantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , dass die von der Schalteinrichtung (S) auswählbaren Kontaktanschlüsse (11,12) derart angeordnet bzw. gestaltet sind, dass zwischen dem Sende- und Empfangsband eines Netzes (z.B. GSM 1800 und GSM 900) umgeschaltet werden kann.
9. Mobil funkantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , dass die von der Schalteinrichtung (S) auswählbaren Kontaktanschlüsse (11,12) derart angeordnet bzw. gestaltet sind, dass zwischen den Frequenzbändern zweier Netze (PCN und PCS) umgeschaltet werden kann.
10. Mobilfunkantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , dass eine gabelförmige Anschlußleitung (16) an der zweiten Fläche (F2) vorgesehen ist, die die Speisung der zweiten Fläche (F2) über einen Kontakt (K2) auf im wesentlichen ge- trennt wirkende Anschlüsse (P2L, P2H) aufteilt.
11. Mobilfunkantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , dass die Schalteinrichtung (S) außerhalb des durch die beiden Flächen (Fl, F2 ) begrenzten Antennenvolumens angeordnet ist.
12. Mobilfunkantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , dass die Mobilfunkantenne eine PIF-Antenne ist.
13. Mobil funkantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h e t , dass die Mobilfunkantenne eine Dualbandantenne ist, die mehrere, insbesondere bis zu vier, unterschiedliche Frequenzbereiche bedienen kann.
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